REAKTOR MIKROFALOWY DO UTYLIZACJI ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH

Transkrypt

1 27/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN REAKTOR MIKROFALOWY DO UTYLIZACJI ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH M. PIGIEL 1, K. GRANAT 2 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Politechnika Wrocławska Wrocław, ul. Łukasiewicza 3/5, Polska STRESZCZENIE Celem badań jest opracowanie i wykonanie reaktora mikrofalowego do termicznej utylizacji różnych odpadów przemysłowych. Reaktor ten w zamierzeniu wykorzystany będzie do szybkiego bezkontaktowego nagrzewania różnych materiałów odpadowych, w tym przede wszystkim materiałów niebezpiecznych, dla których konwencjonalne procesy utylizacji są trudne techniczne i kosztowne. Przykładem może być proces utylizacji odpadów zawierających włókna azbestowe, stanowiące poważne zagrożenia dla zdrowia ludzi mających kontakt z tym materiałem [1,2,3]. Key words: microwave heating, asbestos, utilization, thermal treatment. 1. WPROWADZENIE Proces nagrzewania energią mikrofalową zależy w decydującym stopniu od parametrów dielektrycznych obrabianego termicznie materiału. Parametry te, np. przenikalność dielektryczna i tzw. kąt stratności zmieniają się w trakcie nagrzewania czasem nawet o rzędy wielkości i nie są znane zarówno w literaturze technicznej, jak i w literaturze naukowej [4,5]. Niezbędne jest zatem wykonanie serii badań laboratoryjnych pozwalających określić najważniejsze wymagania techniczne, tak aby projektowany i wykonany reaktor rzeczywiście nadawał się do prowadzenia prac badawczych w założonym zakresie termicznej obróbki wybranych materiałów odpadowych. Dla realizacji tego zadania niezbędne jest: 1 Dr inż. 2 Dr inż.

2 178 wykonanie badań procesu nagrzewania mikrofalami wybranych materiałów w skali laboratoryjnej (próbka ok. 1g) aby określić czasy nagrzewania i temperaturę produktu po osiągnięciu której następuje całkowita jego utylizacja [6], wykonanie prób umieszczania dużych próbek (ok. 0,5 kg) obrabianych termicznie materiałów w pojemnikach lub naczyniach umożliwiających ich łatwy załadunek i wyładunek. 2. OPIS BADAŃ UTYLIZACJI DUŻYCH PRÓBEK 2.1. Stanowisko laboratoryjne do badania dużych próbek Stanowisko laboratoryjne do badania dużych próbek składa się z komory mikrofalowej połączonej z trzema generatorami mikrofal oraz z zasilaczy. Komorę mikrofalową pokazano w uproszczeniu na rysunku 1. Metalowa rurka podkrytyczna Generator mikrofalowy Generator mikrofalowy Pojemnik ceramiczny z nagrzewanym azbestem Rys. 1. Fig. 1. Komora mikrofalowa do badań procesu nagrzewania próbek o masie do 1kg. Microwave chamber to heating process research of less than 1 kg samples. Zaadaptowaną komorę standardowej kuchenki mikrofalowej wyposażono w 3 falowodowe układy sprzęgające umożliwiające wprowadzanie energii mikrofalowej z trzech niezależnych generatorów. Na rysunku 1 pokazano dwa dołączone generatory mikrofalowe (zamontowane na bokach komory), trzeci generator mikrofalowy zamontowany jest na ściance tylnej komory. Na górnej ściance komory umieszczono metalową rurę o średnicy Φ 35 mm (tzw. rurkę podkrytyczną ), która skutecznie tłumi

3 179 mikrofale i jednocześnie umożliwia obserwację nagrzewanego materiału w trakcie procesu nagrzewania mikrofalami oraz służy do pomiaru temperatury materiału nagrzewanego za pomocą np. pirometru MX2 firmy RAYTEK. Do zasilania generatorów mikrofalowych użyto dwa zasilacze regulowane (0 650 W) oraz jeden zasilacz umożliwiający generację stałej mocy mikrofal (600 W). Próbki utylizowanego materiału z domieszkami po rozdrobnieniu i starannym wymieszaniu umieszczane były w ceramicznym pojemniku (tyglu), który następnie ustawiano w środku komory mikrofalowej (na ceramicznej płytce) Badania procesu grzania dużych próbek zawierających azbest Badania wykonano na stanowisku badawczym pokazanym w uproszczeniu na rysunku 1. Wykonano próby stosując różne naczynia ceramiczne i wprowadzając do naczyń mieszaninę azbestu z preparatem X. Do pojemnika ceramicznego (ceramika alundowa) wprowadzono 250 g azbestu i 250 g substancji X i starannie wymieszano te składniki aż do uzyskania jednorodnej konsystencji. Całkowita moc mikrofal wprowadzona do komory wynosiła około 1800 W. Czas grzania: 600 sekund, temperatura nagrzanego materiału w komorze, po wyjęciu z komory lokalnie osiągała ºC. Na zdjęciach 1,2,3 pokazano materiał po obróbce mikrofalowej: materiał po procesie grzania w naczyniu ceramicznym (zdjęcie 1). materiał po wyjęciu z naczynia (zdjęcie 2). materiał po rozcięciu (zdjęcie 3). Badając rozdrobniony materiał pod mikroskopem w powiększeniu 28x nie stwierdzono występowania struktury włóknistej we wszystkich rozdrobnionych elementach próbki. Struktura tego materiału jest porowata, przypomina strukturę pumeksu (zdjęcie 3). Zdjęcie 1. Zdjęcie 2. Photo 1. Photo 2.

4 180 Zdjęcie 3. Photo KONSTRUKCJA REAKTORA MIKROFALOWEGO Reaktor mikrofalowy zbudowany jest w postaci cylindrycznej komory metalowej, wewnątrz której umieszczona jest odporna termicznie rura ceramiczna. Do wnętrza metalowej komory wprowadzana jest energia mikrofalowa z 4 generatorów mikrofalowych za pośrednictwem promienników tubowych. Konstrukcję ta w uproszczeniu pokazano na rys.2. Przy pokrywie górnej oraz przy pokrywie dolnej umieszczone są dławiki mikrofalowe blokujące wycieki mikrofal na zewnątrz komory. Generatory mikrofalowe zamontowane są do promienników mikrofalowych za pomocą specjalnych kołnierzy falowodowych. Generatory mają następujące parametry techniczne: - moc mikrofal regulowana w zakresie 0-6 kw (max) - częstotliwość: 2450 MHz +/- 50 MHz Rura ceramiczna narażona jest na duże stresy termiczne. Dlatego też osadzona musi być luźno, tak aby w wyniku zjawiska rozszerzalności cieplnej nie następowało jej pękanie. Przestrzeń pomiędzy metalową ścianką komory a rurą ceramiczną wypełniona jest materiałem izolacyjnym. Materiał izolacyjny musi charakteryzować się małym współczynnikiem tłumienia mikrofal. Wymagania takie spełnia materiał w postaci wełny izolacyjnej o nazwie SIBRAL produkowany w Republice Czeskiej. Załadunek materiału dokonywany jest po otwarciu metalowej pokrywy górnej. Materiał po termicznej obróbce mikrofalowej usuwany jest z komory po otwarciu pokrywy u dołu komory. Zespół zasilaczy generatorów mikrofalowych umieszczony jest w osobnej obudowie (metalowym wózku ). Zespół zasilaczy umożliwia niezależne włączanie i wyłączanie każdego generatora i niezależną redukcję mocy każdego generatora do połowy mocy maksymalnej. Zasilacze generatorów mikrofalowych zamontowane zostały w odrębnej obudowie.

5 181 Pokrywa górna Dławik blokujący wycieki mikrofal Rura dielektryczna Promiennik tubowy Metalowa komora Pokrywa dolna Rys. 2. Fig. 2. Konstrukcja reaktora mikrofalowego. Construction of microwave reactor. Na rysunku 3 pokazano reaktor mikrofalowy. Rys. 3. Fig. 3. Reaktor mikrofalowy. Microwave reactor

6 182 Reaktor jest urządzeniem laboratoryjnym umożliwiającym wykonanie prób na skalę półprzemysłową przy wsadzie o masie 2,5-4 kg utylizowanego materiału. LITERATURA [1] A.G. Bietechtin: Podstawy mineralogii. WG, [2] A. Dąbkowski: Azbest i wyroby azbestowe. Polgos, [3] P. Januszewicz, J. Kostecki, Z. Wertz: Niemetaliczne surowce mineralne przemysłu odlewniczego. WG, Warszawa, [4] M.E. Thomas: Techniki i urządzenia mikrofalowe. Poradnik. WNT, Warszawa [5] R. Litwin, M. Suski, Technika mikrofalowa. Warszawa [6] M. Pigiel: Badania możliwości utylizacji związków zawierających azbest mikrofalami. Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 4, Tom II, Nr 11, s , Katowice, MICROWAVE REACTOR TO UTILIZE OF INDUSTRIAL WASTE MATERIALS Preliminary test have shown that one can effectively utilize ACM in microwave reactor by intensive microwave heating of treated materials up to temperature C. Laboratory scale microwave reactor (furnace) has been designed and manufactured. Furnace charge is about of ACM with additives. Microwave power supplying of the furnace is 6 kw (max). An apparatus can be use for laboratory scale research of the theramal treatment technology for ACM utylization as well as for another thermal processes. Recenzent: prof. dr hab. Mariusz Holtzer.